鈣鈦礦太陽能電池如何能高效穩定運行

【概要】科學家通過引入由薄層石墨烯氧化物保護的硫氰酸鈉，大大提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。當器件暴露于60°C全光照環境中1000小時以上，并受到極端的加速老化試驗過后，器件的損耗卻僅低于5％。

【圖注】完整太陽能電池的α-CuSCN結構和橫截面SEM顯微照片。

鈣鈦礦太陽能電池（PSC）采用低制造成本實現了高光轉換效率。但是為了開發市場應用前景，鈣鈦礦薄膜也必須堅固耐用，并且在太陽光下不會隨時間降解。EPFL科學家現在大大提高了PSC的穩定性，在60℃的全日照持續1000小時照明的環境下，超過20%的鈣鈦礦電池可達到其初始效率的95％以上，這標志著鈣鈦礦太陽能電池穩定性的最高突破。

穩定性的挑戰

傳統的硅太陽能電池技術已經成熟，其效率可達到25％左右，然而其制造成本較高，重量和剛性的問題在很大程度上尚未得到解決。與此相反，鈣鈦礦太陽能電池等相對較新的光伏技術已經實現了超過22％的轉換效率。

鑒于鈣鈦礦材料的化學通用性和低成本可加工性，PSC所提供的廉價，質輕，高效的太陽能電池，有望引領光伏技術的未來。但到目前為止，只有非常昂貴的原型有機空穴傳輸材料（HTMs，選擇性地在太陽能電池中傳輸正電荷）能夠實現20％以上的電力轉換效率。由于成分的限制，這些空穴傳輸材料對PSC的長期穩定性將產生不利的影響。

因此，研發出同等效率、便宜且穩定的空穴輸送器，對于鈣鈦礦太陽能電池的大規模應用顯得極為迫切。在各種無機HTM中，硫氰酸亞銅（CuSCN）作為一種穩定，有效和廉價的候選者（常用螺旋OMeTAD為0.5美元/克，500美元/克），以前常用于鈣鈦礦太陽能電池中。但CuSCN作為空穴傳輸體的嘗試已經發現，其僅產生適度穩定的效率且器件穩定性較差，該項研究結果與在鈣鈦礦膜頂部沉積高質量CuSCN層的問題有關，就像化學不穩定性的孔集成到鈣鈦礦太陽能電池中的CuSCN層。

穩妥的解決方案

目前，Michael Gr?tzel位于EPFL的實驗室，是由博士后Neha Arora和Ibrahim Dar所領導，該項目的研究人員引入了兩個能克服CuSCN基鈣鈦礦太陽能電池主要缺點的新概念。首先，他們開發了一種簡單的動態解決方案，可用于沉積高度為60nm厚的CuSCN層，并能夠制造出穩定轉換效率超過20％的鈣鈦礦太陽能電池。這與最佳性能，最先進的螺旋OMeTAD型鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率相當。

第二，科學家們在CuSCN和金層之間引入了一個薄的間隔層，減少了石墨烯的氧化。這種創新使得鈣鈦礦太陽能電池能夠在60°C的全日光照射下，在最大功率點持續運行1000小時，實現出色的運行穩定性，并超過其初始效率的95％以上。這甚至突破了有限的HTM基鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，這些太陽能電池最近得到大量研究并且在該領域將占據主導地位。

研究人員還發現，鈣鈦礦太陽能電池裝置的不穩定性源于太陽能電池運行期間CuSCN /金相接觸面的降解。“這是鈣鈦礦太陽能電池研究的重大突破，將為極具前景的新光伏技術的大規模商業市場鋪平道路。”Michael Gr?tzel說道。而M. Ibrahim Dar也補充說：“這將有利于該領域的眾多科學家們，因為他們一直在密切地尋找可取代目前使用的，極為昂貴的有機空穴轉運蛋白材料。

文獻鏈接：Perovskite solar cells reach record long-term stability
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